綜合物探方法在地質災害評估中的應用

彭青陽，徐洪苗，胡俊杰，段春龍

（安徽省地質礦產勘查局327地質隊，安徽合肥 230011）

0 引言

工程領域中巖溶、裂隙發(fā)育，大部分巖溶、裂隙可視為不良地質體，這種不良地質體可引發(fā)地質災害。巖溶、基巖裂隙發(fā)育的存在易引起地基形變、地基不均勻沉降、地基滑動和地面塌陷[1-2]。近年來，隨著國家的發(fā)展和進步，工程建設不斷發(fā)展和深入，成為了關系民生的重要項目，而不斷發(fā)生的工程事故已經嚴重威脅到人民生命和財產的安全，所以對于工程災害的預防越來越重要[3]。但由于在較小特定的范圍內，不良地質體發(fā)育具有不確定性、隨機性及隱蔽性，給區(qū)內不良地質體的分布及其發(fā)育情況的詳查帶來很大的困擾，而僅依靠鉆探方法難以達到理想的效果[4]。

探測不良地質體多以物探為主，結合鉆探驗證。目前，主要方法有高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達法、人工源瞬態(tài)面波及淺層地震勘探。雖然探測不良地質體的物探方法有很多種，但各有優(yōu)缺點，近年來高密度電阻率法在探測采空區(qū)及地面塌陷區(qū)方面廣泛應用，其顯著特點是施工快捷、節(jié)約成本、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、抗干擾能力強、圖像直觀，但其探測深度僅限于中淺部，且對地形條件要求較高[5]；瞬變電磁法具有探測成本低、工作效率高、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)勢，但存在淺部探測盲區(qū)[6-7]；探地雷達法工作效率和精度較高，但探測深度有限[8]；人工源瞬態(tài)面波對場地適應性強，主頻一般幾到幾十赫茲，淺層分辨率高，操作簡單，處理方便，但受能量限制，勘探深度較淺；能量較強的人工震源在城市勘察中不便施工[9-11]。

1 物探方法

1.1 高密度電法

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，以巖土體的電性差異為基礎，采用一次陣列布極方式，利用程控多路轉換器和微機電位儀組合方式，實行不同裝置類型和不同極距的斷面或立體視電阻率測量，兼顧了電阻率剖面和電阻率測深法，達到斷面或立體勘查的目的。

1.2 人工源瞬態(tài)面波勘探

人工源瞬態(tài)面波勘探是利用瑞雷波的特征進行勘探。彈性波理論分析表明，在層狀介質中，瑞雷波是由SV 波與P 波干涉而形成，其能量主要集中在介質表面附近，能量的衰減與R1/2成正比（R為傳播距離），比體波（P 波和S 波）衰減慢得多。傳播過程中，介質的質點運動軌跡為長軸垂直于地面、逆時針方向旋轉的極化橢圓，并以高度約1 個波長（λR）的圓柱體為波前面向外擴散傳播。

1.3 探地雷達法

探地雷達法是利用探地雷達發(fā)射天線向目標體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標體的反射電磁波，探測目標體空間位置和分布的一種地球物理探測方法。其實際是利用目標體及周圍介質電磁波的反射特性，對目標體內部的構造和缺陷（或其他不均勻體）進行探測。

2 工程實例

江蘇某廢棄礦坑修復旅游綜合開發(fā)項目用地由目前已廢棄的兩個礦坑宕口和周邊部分農田構成。礦區(qū)始建于20 世紀五六十年代，主要開采建筑石材，經過多年開采形成2 個直徑為500~600 m 的深坑，坑深90 m 左右，2009—2010 年石材礦停止開采，礦坑廢棄，坑內自然積水。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，本次物探工作擬投入高密度電法、人工源瞬態(tài)面波勘探及探地雷達法三種方法，查明基巖內部結構及其完整破碎程度。

2.1 測區(qū)區(qū)域地質背景

測區(qū)處于揚子地塊下?lián)P子構造活動帶的東段，地質構造比較復雜，印支期褶皺和燕山期巖漿、斷裂作用奠定了本區(qū)地質構造基本格架。測區(qū)出露地層，由上到下依次為第四系全新統(tǒng)（Q4）黏土、石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r、石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r、石炭系下統(tǒng)高驪山組（C1g）泥質砂巖。

2.2 測區(qū)工程地質條件

測區(qū)巖層巖性為石炭系的中厚層狀灰?guī)r，產狀平緩，平均抗壓強度為120 MPa，工程地質條件較好。但由于巖性堅脆，時代較老，歷史開采坡面較陡，近地表附近垂直節(jié)理發(fā)育，常形成較多的溶溝、石芽，這些因素影響了山坡的穩(wěn)定性，易發(fā)生滑坡、崩塌等地質災害。

2.3 測區(qū)地球物理特征

地球物理條件是開展物探工作的基礎，場地地形條件是順利開展物探工作的保證，不同的物探方法對地形地質條件有不同的要求。

2.3.1 電阻率及電性層

測區(qū)第四系黏土、粉質黏土的電阻率相對于石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）的灰?guī)r及侵入體花崗斑巖表現(xiàn)為低阻特征。視電阻率值由大到小依次為灰?guī)r、花崗斑巖、第四系。完整基巖的電阻率較高，在構造裂隙或巖溶裂隙發(fā)育地段，由于基巖破碎或巖溶發(fā)育充填黏性土，電性差異會比較明顯。

2.3.2 電磁參數(shù)

探地雷達是通過脈沖電磁波在地下的輻射、散射和反射所攜帶的地下電磁參數(shù)來判斷地下目標的分布與存在。

表1 列舉的常見地質體的電磁波速參數(shù)差異較大，有利于地質雷達探測。

表1 常見介質物理參數(shù)Table 1. Physical parameter of common medium

2.3.3 剪切波速

根據(jù)測區(qū)前期的勘察資料，黏土、粉質黏土及碎石土的剪切波速Vs值為130~500 m/s，灰?guī)r、花崗斑巖的剪切波速Vs值為700~15 000 m/s。

綜上所述，測區(qū)具備高采用密度電法、探地雷達法及人工源瞬態(tài)面波勘探的地球物理條件，為本次利用工程物探手段進行巖體內部結構和圍巖穩(wěn)定性調查提供了地球物理前提。

2.4 野外工作布設

本次外業(yè)工作總共布置了：高密度電法剖面共3 條，點距為5 m；面波勘探剖面共4條，主要沿采坑壁周圍布設；探地雷達剖面10條，沿采坑壁周圍布設，局部地段沿著坑壁布設。

2.5 高密度電法6線異常特征及地質解釋

根據(jù)6 線高密度反演斷面圖（圖1）可以看出，斷面整體縱向電阻率表現(xiàn)為由低向高的變化趨勢。在淺部0~15 m深度范圍內，ρs=50~150 Ω·m，根據(jù)地質資料，解釋推斷為第四系覆蓋層（Q4）的反映；下伏基巖主要為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r；在剖面250~330 號點的中深部及330~415 號點中上部，ρs=150~500 Ω·m，呈低阻半閉合狀異常反映，結合地質及鉆孔資料，解釋推斷為花崗斑巖的反映。

圖1 6線高密度電法綜合斷面圖Figure 1. Line 6 high-density electrical composite cross-section

在剖面的385號、415號點附近布置了2個物探驗證孔G7、G8，其鉆孔分層分別如下：

G7：0.0～5.6 m，雜填土；5.6～14.0 m，中風化灰?guī)r。

G8：0.0～0.4 m，雜填土；0.4～6.8 m，花崗斑巖殘積土；6.8～43.5 m，花崗斑巖；43.5～49.0 m，中風化灰?guī)r。從鉆孔編錄可以看出，物探解譯與鉆孔資料吻合度較高。

在G7、G8 兩孔上做了2 個面波勘探點，現(xiàn)將面波驗證對比如下：

從G7 面波反演分層圖（圖2）上看，Vs分層與鉆孔分層基本一致，Vs反演分層較詳細，Vs值從淺到深依次遞增，解釋推測淺部低速層為雜填土的反映，深部為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r，基巖較完整。

圖2 G7鉆孔面波反演分層圖Figure 2. Borehole G7 surface wave inversion layered diagram

從G8 面波反演分層圖（圖3）上看，Vs分層與鉆孔分層基本一致，Vs反演分層較詳細，Vs值從淺到深逐漸增加，淺部低速層為雜填土的反映；在深度6.45～35.87 m 范圍內，部分層位呈相對低速反映，結合地質及鉆孔資料，解釋為花崗斑巖巖體不均勻性引起的反映；深部Vs值依次遞增，解釋為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r，基巖較完整。

圖3 G8鉆孔面波反演分層圖Figure 3. Borehole G8 surface wave inversion layered diagram

2.6 探地雷達剖面異常特征及地質解釋

本次探地雷達主要是在采坑壁的周邊實施，局部地段沿著坑壁布設，主要目的是查明采坑壁附近圍巖的穩(wěn)定性狀況。

從L11線探地雷達剖面圖（圖4）來看，在剖面0～15 m中上部雷達信號出現(xiàn)信號異常反映，根據(jù)地質資料，解釋推斷為基巖裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差；在剖面14～16 m 及38～39 m 中深部雷達信號出現(xiàn)信號異常反映，根據(jù)地質資料，解釋推測為基巖裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。

圖4 L11線地質雷達剖面Figure 4. Line 11 geological radar profile

3 結論與建議

（1）通過研究總結，高密度電法、人工源瞬態(tài)面波勘探及探地雷達法在地質災害調查中是較有效、便捷的地球物理方法。

（2）高密度電法對查找地質構造、巖性變化效果較好，且快速、便捷，但對規(guī)模較小的裂隙難以區(qū)分；面波勘探對基巖裂隙發(fā)育及不均勻巖體分辨率較好，但難以區(qū)分巖性變化；探地雷達對淺表部基巖裂隙分辨率較高，異常形態(tài)清晰，但勘探深度有限。建議后期此類項目，應根據(jù)目的任務及現(xiàn)場條件，選擇合適的物探手段。